Задачки измерения давления
Учебные материалы


Задачи измерения давления



Карта сайта thepaidsearchnerd.com

В системах контроля технологических процессов датчики давления дают информацию о давлении сжатого воздуха, газа, пара, масла и других жидкостей, обеспечивающих надлежащее функционирование машин, механизмов и систем и протекание контролируемых процессов.

Одно из ведущих мест занимают датчики давления при экспериментальной отработке и штатной эксплуатации летальных аппаратов и двигательных установок. По данным отечественных и зарубежных источников измерение давлений составляет примерно половину из всех наземных и около трети летных измерений в ракетно-космической технике.

Большое разнообразие аппаратуры, в том числе и датчиковой, для измерения давлений объясняется тем, что понятие «давление» охватывает протяженную область значений – от сверхвысокого вакуума до сверхвысоких избыточных давлений. Оценивать величину давления можно как в абсолютных, по отношению к вакууму, так и в относительных, по отношению к атмосферному давлению, единицах; кроме того, результат измерения может быть разностью двух произвольных величин – двух разных давлений. Наконец, измерение давления может проводиться в различных средах, физические и химические характеристики которых весьма разнообразны.

Давление– это физическая величина, характеризующая воздействие усилия на единицу площади поверхности тела или условно выделенную внутри тела элементарную площадку.

Величина давления р жидкости или газа на стенку сосуда, который они полностью заполняют, определяется силой dF, действующей по нормали к элементу поверхности ds стенки сосуда:

(4.1)

На жидкость действует также сила тяжести. Поэтому, например, в случае столба жидкости, находящейся в открытой вертикальной емкости, давление в точке на расстоянии h от поверхности равно сумме атмосферного давления р0 и массы столба жидкости, действующей на единицу площади:

(4.2)

где ρ – плотность жидкости; g – ускорение силы тяжести. Если на жидкости действует еще какое-либо ускорение, необходимо учитывать также влияние силы инерции на величину давления.

Атмосферное давление р0, называемое барометрическим или гравитационным, является следствием земного притяжения, удерживающего частицы воздуха у поверхности Земли. На практике измерения осуществляются чаще всего относительно исходного атмосферного давления. Разность давлений внутри сосуда и атмосферного давления снаружи сосуда называется избыточным давлением, причем избыточное давление может быть как положительной, так и отрицательной величиной. Сумма барометрического и избыточного давления называется абсолютным давлением.



Барометрическое давление в разных слоях атмосферы зависит от высоты их расположения над уровнем моря и изменяется по экспоненциальному закону

(4.3)

где р0 и рН – соответственно давления на уровне моря и на высоте Н от уровня моря; ρ0 – плотность воздуха на уровне моря.

На рис. 4.1 показано изменение давления в атмосфере Земли в зависимости от высоты над уровнем моря.

Измерение давления в неподвижной жидкости или газе в замкнутых сосудах, полостях и трубопроводах сводиться к измерению силы F, действующей на поверхность S стенки, ограничивающей среду – объект измерения. В движущейся жидкости или газе различают три вида давления: статическое давление неподвижной среды рs, динамическое давление рd, обусловленное скоростью v движущейся жидкости или газа, и полное давление р, представляющее сумму этих двух давлений

(4.4)


Динамическое давление, действующее на поверхность, нормальную направлению течения, увеличивает статическое давление на величину

(4.5)

где v – скорость движения жидкости или газа; ρ – плотность среды.


Отдельной областью является измерения акустических давлений – знакопеременных давлений в газах и жидкостях в звуковом и ультразвуковом диапазонах частот. Датчики акустических давлений должны реагировать только на переменную составляющую измеряемого давления, т.е. на выходной сигнал не должно влиять атмосферное давление.

В твердом теле характер распространения давлений (напряжений) зависит от геометрической формы тела и площади контактирующей поверхности. Равномерное напряжение сжатия внутри твердого сплошного тела достигается только при воздействии давления со всех сторон, например погружения тела в сжатую жидкость или газ. Если же прижать друг к другу две плиты силой, действующей по центру, то давление, возникающее по площади соприкосновения, будет неравномерным – на периферии плит оно будет меньше, чем в центральной части из-за прогиба краев плиты.

Единицей измерения давления и напряжения в системе СИ является Паскаль – давление, вызываемое силой 1 Н, равномерно распределенной на поверхности 1 м2 и нормальной к ней. Однако продолжают использоваться внесистемные единицы измерения давления, применение которых обусловлено практическими нуждами. В табл. 4.1 приведен перевод наиболее распространенных единиц измерения давления [1].

Таблица 4.1

Соотношения между единицами измерения давления

Единицы измерения давления Па бар атм кг∙с/см2 мм рт.ст. мм вод.ст. фунт/ дюйм2 Па 10-5 0,9869∙10-5 1,02∙10-5 0,75∙10-2 0,102 0,1451∙10-3 бар 105 0,9869 1,02 1,0165∙104 6,89∙10-2 атм 1,01325 1,034 0,68 кг∙с/см2 9,807∙104 0,9807 0,9672 7,35∙102 104 6,0703 мм.рт.ст. при 0°С 133,3 1,33∙10-3 1,315∙10-3 1,36∙10-3 13,6 51,69 мм.вод.ст. при +4 °С 9,84 0,9837∙10-4 0,9709∙10-4 10-4 0,0735 700,2 фунт/дюйм2 14,51 14,7 14,22 0,0193 0,143∙10 -2

В акустических измерениях уровень звукового давления газовой среды (дБ) обычно оценивается в относительных единицах согласно формуле

(4.6)

где р – эффективное значение акустического давления, Па; р0=2∙10-5 Па – давление, соответствующее величине интенсивности звукового порога.

Перевод единиц из одной системы в другую в соответствии с приведенной формулой приведен в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Перевод единиц измерения давления

дБ мкбар кг·с/см2 Па 2·10-6 0,2 4·10-6 0,4 8·10-6 0,8 1,6·10-5 1,6 2·10-5 2,0 6,4·10-5 6,4 2·10-4 632,4 6,3·10-4 63,2 2·10-3 6,3·10-3 632,4 2·10-2 6,3·10-2 2·105 0,2 2·104 6,324·105 0,632 6,324·104 2·106 2,0 2·105

Итак, все задачи измерения давления можно разделить на следующие основные группы: измерение абсолютного или избыточного давления и измерение разности давлений. Отдельно следует выделить задачи измерения давления газов в пределах не выше атмосферного – вакуумметрию и измерение звуковых волн в газовой и жидкостной среде − акустические измерения.

В зависимости от скорости изменения давления, т.е. характера зависимости р(τ), все разнообразие задач измерения давлений можно свести к трем вариантам: измерение статических и медленноменяющихся давлений, измерение быстроменяющихся давлений и измерение импульсных давлений.

В промышленности к группе статических принято относить давления, значение которых остается неизменным за время эксперимента или за время проведения измерений. Медленноменяющееся давление − это процесс, содержащий постоянную составляющую и гармонические составляющие с частотами до 20…30 Гц. К быстроменяющимся и импульсным давлениям относят процессы со случайными и гармоническими составляющими в частотном диапазоне от десятков до сотен тысяч Гц.

Характер изменения медленноменяющихся давлений во времени различен: ρ(τ) может представлять собой сложную функцию, постоянная составляющая которой аппроксимируется, например, трапециидальным импульсом с различными временами нарастания и спада при наличии вытянутого участка установившегося давления, сопровождаемого пульсацией давлений (рис. 4.2, а).

Быстроменяющееся давление (рис. 4.2,б) включают в себя периодически меняющиеся и переходные процессы. Пульсация давления жидкости и газа и акустические шумы часто представляют собой случайный колебательный процесс (рис. 4.2, в, г).

Импульсные давления имеют вид одиночных или периодически повторяющихся импульсов и характеризуются значительной амплитудой импульсов и короткими временами нарастания и спада процесса. Чаще всего эти процессы не имеют постоянной составляющей (рис. 4.2, д–ж).

Наиболее жесткие метрологические требования предъявляются к датчикам и системам, измеряющим статические и медленноменяющиеся процессы. Это объясняется тем, что датчики должны с допускаемыми погрешностями одновременно измерять переходные процессы и установившиеся давления, сопровождаемые пульсацией. Эти требования противоречивы и во многих случаях трудно совместимы в одном датчике, так как для измерения переходных процессов с малой погрешностью необходима высокая частота собственных колебаний и малая степень успокоения, а для малой погрешности измерения установившегося давления, сопровождаемого высокочастотной пульсацией − необходима низкая частота собственных колебаний и большая степень успокоения.


Датчики, предназначенные для измерения быстроменяющихся и пульсирующих давлений, должны обладать малыми динамическими погрешностями, т. е. высокой частотой собственных колебаний и отсутствием механических и электрических резонансов в рабочем диапазоне частот измерения давлений и дестабилизирующих факторов. При этом для обеспечения допускаемых динамических погрешностей системы в целом каждый элемент системы (датчик – усилитель – преобразователь – регистратор) должны быть согласованы по частотным диапазонам измерений.



edu 2018 год. Все права принадлежат их авторам! Главная